Мартеновское производство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сталь - это деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы - примесями, растворенными в железе. Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические связи. В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05 - 0,50%, но может достигать ? 1% (теоретически до 2,14%). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 - 0,6%) и кремний (0,15 - 0,3%). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.

Металлургия стали как производство возникла примерно 3,5 тыс. лет назад в районе Суэцкого залива (Сирия, Египет). Путь развития черной металлургии проходил в несколько этапов. Настоящий период характеризуется коренным изменением как масштабов производства качественной и высококачественной стали и доли ее в общем производстве, так и методов ее получения. Мартеновский и конвертерный способы явились базой, обеспечивающей бурный рост индустриальной мощи промышленно развитых стран. Менее чем за 100 лет мировое производство стали возросло более чем в тысячу раз (с 330 тыс. т в 1868 г. до 346 млн. т в 1960 г.).

1. Сущность мартеновского процесса

мартеновский печь сталь выплавка

Мартеновский процесс - получение жидкой стали путем окислительной плавки шихты из стального лома, чугуна, железной руды и флюсов в пламенной отражательной печи с регенеративным подогревом воздуха. Процесс был вызван к жизни потребностью общества в переплавке стальных отходов, накапливавшихся в металлургической и машиностроительной промышленности в эпоху промышленной революции.

Идеи организации передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание мартеновского производства принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 году использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и Пьеру Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена металлургами А.А. Износковым и Н.Н. Кузнецовым на Сормовском заводе в 1870 году.

В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940-55 этим способом изготовлялось около 80% производимой в мире стали).

Для развития мартеновского процесса характерны 3 периода: в первом (до начала 20 века) плавку вели в печах небольшой ёмкости (до 70 т), которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я половина 20 века) характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185-250 т, затем 370-500 т; для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (главным образом природный газ), строительство новых цехов с агрегатами ёмкостью 600-900 т, создание печей нового типа.

2. Конструкция и работа мартеновской печи

Схема мартеновской печи представлена на рис. 1. Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строений: границей раздела служит рабочая площадка цеха. В верхней части располагаются рабочее (плавильное) пространство печи, головки и часть вертикальных каналов. Рабочее пространство образовано снизу подиной, сверху сводом, с боков передней и задней стенками. В передней стенке размещены завалочные окна (3,5 или 7 окон в зависимости от вместимости печи), через которые загружают шихтовые металлические и неметаллические материалы. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой цеха и состоит из шлаковиков, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами.

Рисунок 1. Схема устройства и работа мартеновской печи ёмкостью 500 т

Газ и воздух по каналам 1 и 2 подводят к газовому клапану 10, а затем смесь по каналу 5 поступает в регенератор 6. Вентилятором 3 по каналу 4 воздух подводится к воздушному клапану 9, от которого по каналу 8 поступает в регенератор 7. Насадка регенераторов с температурой 1500-1550 єС отдаёт тепло проходящим через них газу и воздуху. Нагреваясь в регенераторах до 1200 єС, газ и воздух по вертикальным каналам поступают в головки печи для образования газовоздушной смеси, которая и сгорает в рабочем пространстве. Продукты горения из рабочего пространства печи через правые головки направляются в регенераторы 16 и по каналам 15 и 11 поступают в дымовую трубу 12.

Когда огнеупорная насадка в регенераторах 6 и 7 начнёт остывать, направление движения газа и воздуха изменится. Клапаны 9 и 10 закрываются, а левые клапаны 14 и 13 открываются. При этом насадка регенераторов 16 будет нагрета до 1200-1300 єС теплом отходящих продуктов горения. После перекидки клапанов продукты горения пойдут через насадку регенераторов 6 и 7.

Воздух для сжигания топлива подают вентилятором через борова. Топливо в горелке распыляют сжатым компрессорным воздухом под давлением 0,5-0,6 МПа. В корень факела часто подают под давлением 0,5-1,0 МПа газообразный кислород для интенсификации окислительных процессов.

Шихтовые материалы (скрап, чугун, флюсы) загружают в печь через завалочные окна 17. Разогрев шихты, сплавление и нагрев металла и шлака происходит при контакте плавящихся материалов с факелом горящих газов. Готовую сталь выпускают через отверстие, расположенное в самой низкой части подины печи, далее ее разливают в изложницы. На время плавки это отверстие забивают огнеупорной глиной.

Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали.

3. Разновидности мартеновского процесса

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун и скрап любого состава и в любой пропорции.

В настоящее время используют две технологии выплавки стали в мартеновских печах. Их отличие заключается в типе используемого чугуна - жидкого или твердого:

1) скрап-процесс - при котором шихта состоит из стального лома и твердого чушкового чугуна (доля чугуна составляет 25 - 45%). По этой технологии сталь выплавляют на заводах неполного металлургического цикла при отсутствии доменного производства. Вместимость мартеновских печей, выплавляющих сталь скрап-процессом, составляет 50-250 т.

2) скрап-кислородный процесс - при котором шихта состоит из скрапа и жидкого чугуна (доля чугуна составляет 55 - 75%). По этой технологии сталь выплавляют на металлургических заводах полного цикла, на которых имеется собственное доменное производство. Вместимость мартеновских печей, работающим скрап-кислородным процессом, равна 200-600 т. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным.

В зависимости от состава шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» (в составе огнеупоров подины преобладают основные окислы - CaO, MgO) и «кислым» (подина состоит из SiO₂).

4. Технология выплавки стали (основной процесс)

В мартеновской плавке различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, доводка, раскисление и легирование, выпуск. Загрузку, прогрев и плавление шихты ведут при максимальной тепловой нагрузке печи.

Заправка печи. Это операции по осмотру и ремонту подины и откосов рабочего пространства печи. Продолжительность заправки 10-30 мин.

Завалка шихты. Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в специальных коробах - мульдах (ёмкостью до 3,3 м³). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 часов. Порядок загрузки зависит от типа технологии. При скрап-процессе на подину загружают мелкий стальной лом, затем отдельными участками известняк и боксит, затем средний и крупный лом, сверху чушковый чугун. При скрап-кислородном процессе на подину загружают слой железной руды, затем известняк и стальной скрап.

Прогрев шихты. При скрап-кислородном процессе эту операцию ведут как подготовительный этап перед заливкой чугуна. Длительность периода 20-30 мин.

Заливку чугуна в печь ведут на хорошо прогретый скрап из чугуновозных ковшей по желобам, установленным в крайние окна печи. Длительность периода 15-30 мин.

Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1-5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака. Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока.

Доводка (кипение). Задача данной операции заключается в достижении к концу периода необходимой концентрации углерода и температуры, а также концентраций в металле фосфора и серы. В связи с этим период кипения - наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1-2,5 ч.

Раскисление и легирование - завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла.

Выпуск. При достижении требуемого состава и температуры проводят выпуск стали из печи в сталеразливочный ковш. В мартеновской печи выпускное отверстие (лётка) расположено в нижней части задней стенки по центру печи. В период плавки оно закрыто пробкой из периклазовых порошкообразных материалов. При устранении пробки металл по желобу вытекает в ковш и поступает на внепечную обработку, а затем на разливку. Общая продолжительность выпуска до 20 мин.

5. Кислый мартеновский процесс

Кислым мартеновским процессом называют процесс выплавки стали в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~95% SiO₂). В первых мартеновских печах подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого песка.

Требования к сырым материалам и топливу. Кислый мартеновский процесс значительно меньше распространён, чем основной, в связи с тем, что при нём затруднено удаление из металла серы и фосфора и поэтому требуются более чистые (и, следовательно, более дорогие) шихтовые материалы. В связи с этим к шихте и топливу предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025% фосфора и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в жидком виде).

Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом с примесью конечного кислого шлака. Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высокое качество кислой стали определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода уделяют особое внимание. Общая продолжительность заправки кислой печи значительно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5 - 2,5 часа.

Ход плавки при кислом процессе. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между загружаемыми в печь чугуном и скрапом зависит от заданного содержания углерода в металле, при котором обеспечивалось бы проведение периода кипения. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или извести, а при скрап-рудном - также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок.

В кислой печи непрерывно идут два процесса:

а) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается;

б) восстановление кремния из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением скоростей этих процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или марганцевой руд, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны воздухом или кислородом.

Если после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, становится все более вязким, скорость перехода кислорода из атмосферы печи через шлак в металл уменьшается. В результате через некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концентрация кремния в металле растет. Такой метод ведения плавки называют пассивным, а процесс - кремневосстановительным. Если походу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его окислительная способность и металл интенсивно кипит, то содержание кремния выше определенных пределов не возрастает. Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс - с ограничением восстановления кремния. При активном процессе после расплавления и при достаточно высокой температуре металла в печь присаживают небольшими порциями железную руду. Начинается интенсивное кипение. За 30 - 40 минут до раскисления подачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался шлак такого состава, который способствует продолжению кипения металла.

Кремневосстановительный процесс начинается так же, как и активный, присадкой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно густеть, обогащаясь кремнеземом, ход кремневосстановительного процесса отличается от хода активного процесса. Руду или известь больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержание кремния, кипение металла практически прекращается. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 - 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод с восстановлением кремния до 0,12-0,16%.

Плавка при кислом процессе длится дольше, чем при основном. Однако особенности взаимодействия металла с кислой футеровкой подины печи и с кислым шлаком, газопроницаемость которого меньше, чем основного, а также использование чистых шихтовых материалов позволяют получать при кислом процессе сталь высокого качества, чистую от вредных примесей и характеризующуюся очень малой анизотропностью свойств вдоль и поперёк направления последующей обработки давлением.

Несмотря на высокие качества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплавляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуговых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой мартеновской стали значительно выше, чем основной. Применяемый в качестве шихтовых материалов кислого мартеновского процесса чугун, металлическая заготовка или жидкий полупродукт с малым количеством примесей в два с лишним раза дороже шихты, используемой в основных мартеновских печах. Кроме того, производительность кислых мартеновских печей значительно ниже, чем основных.

В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий, для производства роторов турбин, крупных коленчатых валов, стволов артиллерийских орудий и других изделий, которые должны иметь высокую механическую прочность вдоль и поперёк волокна.

6. Разливка стали

По степени раскисления сталь разделяют на спокойную, кипящую и полуспокойную. При полном раскислении получается спокойная сталь (весь кислород находится в связанном состоянии), а при неполном раскислении кипящая сталь. При разливке кипящей стали выделяется окись углерода (сталь кипит в изложнице). Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

Готовую сталь выпускают из печи в подогретый сталеразливочный ковш. Из ковша сталь разливают по чугунным изложницам для получения слитков. В зависимости от вида полученных слитков изложницы могут иметь квадратное, круглое, прямоугольное или другое сечение. Высота изложниц должна быть в пять-шесть раз больше их поперечного размера.

В сталеплавильных цехах отливают слитки массой от 100 кг до 100 т. Наиболее широко используют слитки массой 5-8 т, направляемые в прокатные цехи.

Применяют три способа разливки стали в изложницы: сверху (обычно при отливке крупных слитков), сифоном (при отливке мелких и средних слитков) и непрерывную разливку.

При затвердении стали в изложнице происходит усадка металла. В первую очередь затвердевают слои металла, прилегающие к стенкам изложницы. Внутренняя часть слитка некоторое время после заполнения остаётся жидкой. Там, где металл дольше находится в жидком состоянии, образуется усадочная раковина.

Сталь разлита в слитки, и их необходимо прокатать в листы, чтобы в дальнейшем получить заготовки для вытяжки.

Заключение

Достоинствами мартеновского процесса, как уже говорилось, являются: большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства, менее строгие требования к исходным материалам, относительная простота контроля и управления ходом плавки, высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали, сравнительно небольшая стоимость передела.

Однако в связи с бурным развитием в 60-х годах 20 века кислородно-конвертерного производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 г. в мартеновских печах выплавлено в мире ~240 млн. т стали (~40%), в СССР - 84 млн. т (~72%). По сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

В 2002 году российское правительство приняло программу реструктуризации металлургической отрасли с целью устранения неэффективных в экономическом смысле производств. Основным направлением этих мер должна быть реструктуризация сталеплавильного производства с ликвидацией мартеновского процесса, с увеличением доли металла, выплавляемого в электропечах, разливаемого непрерывным способом, обрабатываемого вне печи.

В наши дни многие перспективы развития России связаны с внедрением новых технологий в производство. Так мартеновский метод производства стали заменяется на электросталеплавильный и кислородно-конвертерный методы. Почти половина стали уже сейчас производится конвертерным способом.

Металлургия России, несмотря на значительный спад производства, продолжает занимать одно из ведущих мест в мире по производству и экспорту металлопродукции, уступая лишь Японии, Китаю и США. Доля России в мировом производстве стали составляет 6,9%, а в экспорте металлопродукции - 10%. Главные цели перспективного развития металлургической промышленности - это приведение мощностей производства в соответствие с требованиями мирового и внутреннего рынка как в количественном, так и в качественном отношении, и повышение конкурентоспособности производства металлов за счет использования современных технологий, что увеличит спрос на российский металл в первую очередь на внутреннем рынке.

Список использованных источников и литературы

мартеновский печь сталь выплавка

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 2000. - 768 с.

2. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / под ред. В.И. Явойского. - М.: Металлургия, 1983. - 584 с.

3. Еланский Г.Н., Линчевский Б.В., Кальменев А.А. Основы производства и обработки металлов [Текст]: учебник / - М.: МГВМИ, 2005. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru